DE4203627C2 - Druckübersetzer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckübersetzer nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Druckübersetzer, die heutzutage eingesetzt werden, um sehr hohe Enddrücke bis ca. 10 000 bar zu erreichen, arbeiten üblicherweise mit einem hydraulisch angetriebenen Niederdruck- oder Primärkolben, der beid­ seitig mit einem primären Druckmedium wie Öl beaufschlagbar ist und an jeder Seite einen Hochdruckplunger trägt. Die Hochdruckplunger werden wechselseitig von dem Niederdruckkolben angetrieben, so daß das Druck­ medium, das nur eine relativ geringe potentielle Energie besitzen muß, dazu genutzt wird; ein anderes Medium wie beispielsweise Wasser auf eine wesentlich höhere Druckstufe entsprechend dem Verhältnis der Durchmesser von Niederdruckkolben und Hochdruckplunger zu übersetzen.

Derartige Druckübersetzer werden in der Hochdruckpreßwasser­ technik dazu verwendet, einen sehr hohen Betriebsdruck zu erzeugen, da Plunger- bzw. Kolbenpumpen nur für einen im Vergleich zum gewünschten Be­ triebsdruck niedrigen, bestimmten Druckbereich ausgelegt sind und eine Umrüstung etwa auf höhere Drücke mit einem Austausch des Pumpenkopfes verbunden ist, falls dies überhaupt durchführbar ist.

Derartige Druckübersetzer haben jedoch den Nachteil, daß der Druck im Bereich der Totpunkte des Niederdruckkolbens abfällt und wieder ansteigt und sich so eine ungleichmäßige Druckkennlinie ergibt. Dies führt zu Pulsationen, die vom atmosphärischen bis zum maximalen Betriebs­ druck reichen können und gegebenenfalls durch aufwendige Pulsationsdämp­ fer ausgeglichen werden müssen.

Aus US 3 945 207 ist eine nach dem Tandemprinzip arbeitende Pumpeinrichtung bekannt, bei der zwei Zylinder vorgesehen sind, deren jeweilige Kolben mit Hochdruck beaufschlagt werden, um den Kolben in Richtung auf einen zugehörigen Niederdruckauslaß zu bewegen. Die Kolben­ betätigung erfolgt hierbei symmetrisch. Dadurch ergibt sich einerseits keine Druckübersetzung und andererseits treten Leistungsschwankungen auf, so daß ein pulsierender Förderstrom entsteht, die nur mit einem Pulsationsdämpfer abgeschwächt werden könnten.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Druckübersetzer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der eine im wesentlichen gleich­ mäßige Druckkennlinie aufweist, ohne daß ein Pulsationsdämpfer notwendig ist.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Hierbei sind zwei parallel geschaltete Primärkolben mit jeweils nur einem Hochdruckplunger vorgesehen, wobei die auf die Primärkolben einwirkende Primärenergie auch dazu verwendet wird, die Primärkolben in ihre Ausgangspositionen zurückzubewegen, und wobei die Arbeitsfolge der Primärkolben asynchron verläuft, d. h. bevor ein Primärkolben seinen vor­ deren Totpunkt während eines Arbeitshubes erreicht, wird der zweite Pri­ märkolben bereits mit Druckmittel beaufschlagt, so daß während dessen Arbeitshub die Rückkehr des ersten Primärkolbens in seine Ausgangsposi­ tion (hinterer Totpunkt) erfolgen kann. Bevor nun der Arbeitshub des zweiten Primärkolbens den vorderen Totpunkt erreicht, wird wiederum der erste Primärkolben erneut beaufschlagt und beginnt seinen Druckhub. Auf diese Weise läßt sich eine im wesentlichen lineare Druckkennlinie erzie­ len, so daß keine aufwendigen Pulsationsdämpfer benötigt werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Hochdruckpreßwassereinrichtung.

Fig. 2 zeigt die Druckkennlinie der Einrichtung von Fig. 1.

Die dargestellte Hochdruckpreßwassereinrichtung umfaßt eine Hochdruckpumpe 1, etwa eine Plunger- oder Kolbenpumpe, die Wasser aus einem Tank 2 auf einen bestimmten Primärdruck bringt und einen Hochdruck­ wasserstrom mit im wesentlichen gleichbleibenden Druck (beispielsweise mehrere 100 bar) und einer bestimmten Literleistung abgibt. Das auf diese Weise erzeugte Hochdruckwasser wird über eine hydraulische Antriebslei­ tung 3 mit einem Überströmventil 4 als Primärenergie einem Drucküberset­ zer 5 zugeführt.

Der Druckübersetzer 5 besitzt zwei parallel geschaltete Zylin­ der 6, die jeweils einen Primärkolben 7 aufnehmen, von denen jeder einen Hochdruckplunger 8 mit entsprechend geringerem Durchmesser trägt, wobei das Durchmesserverhältnis von Primärkolben 7 und Hochdruckplunger 8 das Druckübersetzungsverhältnis bestimmt. Die Hochdruckplunger 8 werden je­ weils von einer Bohrung 9 in einem mit den Zylindern 6 verbundenen Druck­ übersetzerkopf 10 aufgenommen, der auch jeweils ein Saug- und ein Druck­ ventil 11 bzw. 12 für jeden der beiden Förderstränge des Druckübersetzers 5 aufweist. Hierbei sind die beiden Saugventile 11 an einer gemeinsamen Leitung 13 angeordnet, die mit der Druckseite der Hochdruckpumpe 1 ver­ bunden ist, so daß das Hochdruckwasser von der Hochdruckpumpe 1 an den beiden Saugventilen 11 des Druckübersetzers 7 ansteht. Das druckseitig von dem einen bzw. anderen Druckventil 12 austretende Medium wird einer gemeinsamen Ausgangsleitung 14 zugeführt.

Zwei elektromagnetisch oder pneumatisch betätigte 3/2-Wege-Ven­ tile 15 führen das Hochdruckwasser von der Hochdruckpumpe 1 als Primär­ energie dem jeweiligen Zylinder 6 zu bzw. leiten das entspannte Wasser über eine durch ein einstellbares Drosselventil 16 gedrosselte Rücklauf­ leitung 17 wieder dem Tank 2 zu.

Jeder Primärkolben 7 ist mit einer Positionserfassungseinrich­ tung zum Erfassen zumindest der Totpunkte und gegebenenfalls des Weges des Primärkolbens 7 versehen, die berührungslos (beispielsweise wie dar­ gestellt zwei z. B. induktiv arbeitende Aufnehmer 18, die von einem perma­ nentmagnetischen Abschnitt eines mit dem Primärkolben 7 beweglichen Teils 19 bei Erreichen des jeweiligen Totpunkts ein entsprechendes Signal abge­ ben) oder mechanisch über Endschalter arbeiten kann. Die Signale der Po­ sitionserfassungseinrichtung werden zum Steuern der Ventile 15 verwendet.

Die Steuerung der Ventile 15 erfolgt über die von der Positi­ onserfassungseinrichtung abgegebenen Signale derart, daß die Arbeitsfolge der Primärkolben 7 asynchron verläuft, d. h. bevor ein Primärkolben 7 sei­ nen vorderen Totpunkt während eines Arbeitshubes erreicht, wird der zwei­ te Primärkolben 7 bereits mit Hochdruckwasser von der Hochdruckpumpe 1 beaufschlagt, so daß während dessen Arbeitshub der Saughub des ersten Primärkolbens 7 erfolgen kann. Bevor nun der Arbeitshub des zweiten Primärkolbens 7 den vorderen Totpunkt erreicht, wird wiederum der erste Primärkolben 7 erneut beaufschlagt. Auf diese Weise läßt sich eine im wesentlichen lineare Druckkennlinie (wie in Fig. 2 dargestellt, in der auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate der Druck angegeben und die Druckverläufe für einen Hochdruckplunger 8 durchgezogen und für den anderen gestrichelt dargestellt sind) erzielen. Während der volle Sekun­ därdruck vom einen Hochdruckplunger 8 noch ansteht, beginnt bereits der Druckhub des anderen Hochdruckplungers 8 so früh, daß dieser noch vor dem Abfall des vom einem Hochdruckplunger 8 gelieferten Sekundärdrucks seinen vollen Sekundärdruck bereits liefert, so daß die durch die Rückkehrhübe an sich hervorgerufenen Pulsationen eines jeweiligen Hochdruckplungers 8 durch die Druckhübe des jeweils anderen voll überbrückt werden und damit von der Ausgangsleitung 14 Hochdruckwasser mit einem durch den Drucküber­ setzer 5 auf eine höhere Stufe gebrachten Druck praktisch pulsationsfrei abgebbar ist.

Da das Hochdruckwasser von der Hochdruckpumpe 1, das zum Be­ trieb des Druckübersetzers 5 verwendet wird, - wie bereits erwähnt - auch an den Saugventilen 11 ansteht, wird es zusätzlich genutzt, um die Hoch­ druckplunger 8 nach ihren Druckhüben wieder in ihre Ausgangsposition zu­ rückzubewegen, wobei das Drosselventil 16 in Abhängigkeit vom Eingangs­ druck des Hochdruckwassers von der Hochdruckpumpe 1 die Rücklaufgeschwin­ digkeit des Hochdruckplungers 8 und damit des Primärkolbens 7 regelt.

Das einstellbare Überströmventil 4 in der hydraulischen An­ triebsleitung 3 sorgt dafür, daß der Primärdruck des Druckübersetzers 5 nicht überschritten wird. Gleichzeitig wird mit der Festlegung des Pri­ märdrucks in Abhängigkeit vom Übersetzungsverhältnis auch der Enddruck des Druckübersetzers 5 festgelegt.

Die Übersetzung von Wasserdruck in eine höhere Druckstufe kann ebenso umgekehrt erfolgen, indem Wasser mit einer hohen Druckstufe, wie es von einer Hochdruckwasserpumpe 1 oder einem weiteren Druckübersetzer 5 geliefert wird, in eine geringere Druckstufe untersetzt wird. Hierdurch kann Wasser mit der niedrigeren Druckstufe mit entsprechend großer Liter­ leistung geliefert werden, da sich hierbei die geförderten Wassermengen umgekehrt proportional zur Druckveränderung verhalten.

Bei der Verwendung von Wasser als Primär- und Sekundärmedium, wie es hier möglich ist, wird eine Verschmutzung des Sekundärmedium durch leckendes Hydrauliköl vermieden. Das Primärmedium geht aufgrund seiner Rückführung in den Tank 2 nicht verloren, sondern wird wiederverwendet.

Claims (5)

1. Druckübersetzer mit einem in einem Zylinder (6) durch ent­ sprechende Druckmittelbeaufschlagung hin- und herbeweglichen Primärkolben (7), der einen ersten Hochdruckplunger (8) mit einem gegenüber dem Durch­ messer des Primärkolbens (7) verringerten Durchmesser trägt, wobei ein zweiter Hochdruckplunger (8) vorgesehen ist und beide einen entsprechend dem Übersetzungsverhältnis gegenüber einem Primärdruck übersetzen Sekun­ därdruck liefernden Hochdruckplunger (8) jeweils in einer mit einem Saug­ ventil (11) und einem Druckventil (12) ventilierten Bohrung (9) beweglich sind, dadurch gekennzeichnet, daß parallel ein zweiter Zy­ linder (6) mit einem den zweiten Hochdruckplunger (8) tragenden Primär­ kolben (7) vorgesehen ist, wobei beide Saugventile (11) über eine gemein­ same Leitung (13) druckmittelbeaufschlagt sind und die Druckhübe der bei­ den Primärkolben (7) asynchron derart steuerbar sind, daß der von einem Hochdruckplunger (8) gelieferte maximale Sekundärdruck zu Beginn von dessen Druckhub bereits erreicht ist, bevor der vom anderen Hochdruck­ plunger (8) gelieferte Sekundärdruck am Ende von dessen Druckhub abfällt.

2. Druckübersetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärkolben (7) mit einer Positionserfassungseinrichtung versehen sind, die Signale zum Steuern von Ventilen (15) zur Druckmittelzufuhr/- abfuhr zu den Zylindern (6) in den Totlagen der Primärkolben (7) erzeu­ gen.

3. Druckübersetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Druckmittelabfuhr von den Primärkolben (7) über eine Drossel (16) gesteuert drosselbar ist.

4. Druckübersetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hochdruckpumpe (1) als Primär- und Sekundär­ druckmittellieferant vorgesehen ist.

5. Druckübersetzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (6) beim jeweiligen Rückkehrhub der Primärkolben (7) und die Hochdruckpumpe (1) an einen Tank (2) für aufzudrückendes Medium ange­ schlossen sind.